[Effective Java] Item03. private 생성자나 enum 타입으로 싱글톤임을 보장하라.

🧐 들어가기 전...

싱글톤 패턴이란?

싱글톤: 클래스가 단 "하나의 인스턴스"만 가지도록 보장

 

하나의 인스턴스만 가졌을 때의 장점은 "일관성"에서 비롯된다.

 

예를 들어, 우리나라의 화폐가 발행되는 곳은 중앙은행인 한국은행에서만 발행된다.

만약에 화폐를 한국은행에서만이 아닌 여러 곳에서 찍어낸다면 일관성이 깨지게 될 것이다.

통화의 흐름을 파악하기가 어렵게 되고, 부정확한 화폐가 유통될 수도 있다.

 

즉, 하나의 기관에서 모든 것을 관리함으로써 일관성과 신뢰성을 챙길 수 있다.

 

싱글톤의 대상은 무상태(stateless)객체 혹은 설계상 유일해야 하는 시스템 컴포넌트가 된다.
 [이팩티브 자바 中]

 

이처럼, 코드를 짤 때에도 하나의 인스턴스만 가지도록 보장해야하는 경우가 있따른다.

이는 여러 인스턴스를 허용하지 않음으로써 충돌과 혼란을 방지하고, 시스템 전체에 통일성을 제공한다.

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✅ Singleton을 만드는 방법

1️⃣  public static final

public class Elvis {
    public static final Elvis INSTANCE = new Elvis();
    private Elvis() { ... }
    public void leaveTheBuilding() { ... }
    
    public static void main(String[] args){
    	Elvis elvis = Elvis.INSTANCE;
    }
}

 

첫 번째로 소개하는 방식은 위와 같이 필드값을 public으로 지정하고 static으로 Instance를 생성한 후에,

직접적으로 해당 인스턴스에 접근하는 방법이다.

이때 생성자는 private로 막아 필드값에서 정의한 인스턴스에만 접근할 수 있도록 설정한다.

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2️⃣ 정적 팩토리 메서드

public class Elvis {
    private static final Elvis INSTANCE = new Elvis();
    
    private Elvis() { ... }
    
    public static Elvis getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
    
    public static void main(String[] args){
    	Elvis elvis = Elvis.getInstance();
    }
}

 

두 번쨰의 방식은 static factory method를 이용하는 방식이다.

 

구현하는 방식은 다음과 같다.

1. 필드 값에 private static으로 Instance를 생성한다.
2. private로 기본 생성자를 막아둔다.
3. getInstance() 메서드를 public static으로 두고, 필드에 생성해둔 Instance를 return한다.

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🚩 리플렉션(Reflection)으로 싱글톤 깨뜨리기

그러나 위와 같은 방식은 리플렉션(Reflection)으로 인한 인스턴스가 생성될 수 있다는 단점이 있다.

리플렉션: 리플렉션은 Java의 강력한 기능으로, 런타임 동작의 유연성과 동적 객체 조작을 가능하게 한다.
(Java에서 리플렉션은 주로 java.lang.reflect 패키지를 통해 제공된다.)

 

리플렉션의 기능은 다음과 같다.

1. 클래스 정보 탐색
2. 생성자 탐색 및 호출
3. 필드 접근 및 수정
4. 메서드 호출
5. 애노테이션 탐색

따라서 해당 리플렉션의 기능, 생성자를 탐색하고 필드를 수정하게 된다면 다음과 같이 싱글톤을 깨뜨릴 수 있게 된다.

public static final 싱글톤 class 깨뜨리기

import java.lang.reflect.Constructor;

public class ReflectionTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 기존 싱글톤 인스턴스 가져오기
        Elvis instance1 = Elvis.INSTANCE;

        // 리플렉션으로 private 생성자 접근
        Constructor<Elvis> constructor = Elvis.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true); // private 접근 가능하게 설정

        // 새로운 인스턴스 생성
        Elvis instance2 = constructor.newInstance();

        // 인스턴스 비교
        System.out.println("instance1 == instance2: " + (instance1 == instance2)); // false
    }
}

 

 

정적 팩토리 메서드 싱글톤 class 깨뜨리기

// 싱글톤 클래스
public class Singleton {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

// 리플렉션으로 싱글톤 파괴
Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true); // private 생성자 접근 허용
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = constructor.newInstance();

System.out.println(instance1 == instance2); // false

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🚩 직렬화(Serialization)로 싱글톤 깨뜨리기

import java.io.Serializable;

public class Elvis implements Serializable {
    public static final Elvis INSTANCE = new Elvis();
    private Elvis() {}

    // 역직렬화 시 항상 기존 인스턴스를 반환
    private Object readResolve() {
        return INSTANCE;
    }
}

만약 위의 코드처럼 직렬화로 싱글톤 클래스가 구현된 경우에는 역직렬화를 통해 싱글톤을 꺠뜨릴 수 있다.

import java.io.*;

public class SerializationTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 기존 싱글톤 인스턴스
        Elvis instance1 = Elvis.INSTANCE;

        // 직렬화
        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("elvis.obj"));
        out.writeObject(instance1);
        out.close();

        // 역직렬화
        ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("elvis.obj"));
        Elvis instance2 = (Elvis) in.readObject();
        in.close();

        // 인스턴스 비교
        System.out.println("instance1 == instance2: " + (instance1 == instance2)); // false
    }
}

직렬화된 객체를 역직렬화하면 새로운 인스턴스가 생성되므로 싱글톤 보장이 깨진다.

 

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✅ Singleton 보장하기

1️⃣ Reflection 방어하기

public class Elvis {
    public static final Elvis INSTANCE = new Elvis();
    private static boolean instanceCreated = false;

    private Elvis() {
        if (instanceCreated) {
            throw new IllegalStateException("이미 인스턴스가 존재합니다!");
        }
        instanceCreated = true;
    }
}

 

생성자 내부에서 중복 생성 방지 로직을 추가하여 reflection으로 싱글톤을 깨뜨리는 방식을 방어할 수 있다.

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2️⃣ 직렬화 방어하기

import java.io.Serializable;

public class Elvis implements Serializable {
    public static final Elvis INSTANCE = new Elvis();
    private Elvis() {}

    // 역직렬화 시 항상 기존 인스턴스를 반환
    private Object readResolve() {
        return INSTANCE;
    }
}

readResolve() 메서드를 활용하여 역직렬화 시 새로운 객체가 아니라 기존에 만들어놓은 싱글톤 객체를 반환하도록 설정하여 방어할 수 있다.

 

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3️⃣ enum으로 방어하기

public enum Elvis {
    INSTANCE;

    public void leaveTheBuilding() {
        System.out.println("Elvis가 건물을 떠났습니다!");
    }
}

enum으로 싱글톤 클래스를 구현하면 다음과 같은 이점을 지닌다.

 

• INSTANCE는 enum 요소로 선언되며, Java는 enum 요소를 JVM 차원에서 단 한 번만 생성하도록 보장한다.
  
  
• 기본적으로 public static final 속성을 가지므로 별도의 싱글톤 구현이 필요하지 않다.
  
  
• 생성자가 자동으로 private으로 설정되므로 외부에서 객체 생성이 불가능gkek.

 

 

따라서 enum을 사용하여 싱글톤 클래스를 구현하게 된다면,

리플렉션과 직렬화를 통해 새로운 객체를 생성할 수 없다.

 

☑️ 장점

Enum 싱글톤 클래스의 장점을 정리해보자면 다음과 같다.

📌JVM 보장
enum은 JVM 수준에서 단일 인스턴스 생성을 보장하며, 리플렉션이나 직렬화 공격으로부터 안전하다.

(1) 리플렉션 공격 방어
enum의 생성자는 리플렉션으로 접근할 수 없도록 Java 언어가 막고 있다.

(2) 직렬화 공격 방어
enum은 별도의 readResolve() 메서드를 구현하지 않아도 JVM이 자동으로 동일한 인스턴스를 반환한다.

📌 구현 간결성
복잡한 방어 로직 없이도 단순한 코드로 싱글톤을 구현할 수 있다.

📌Thread Safe
멀티스레드 환경에서도 동기화 문제를 신경 쓸 필요가 없다.

 

☑️ 단점

반면 enum의 싱글톤 클래스에 대해 다음과 같은 단점을 가지고 있기도 하다.

📌클래스 확장이 불가능
enum은 다른 클래스를 상속할 수 없다.

📌초기화 논리 제한
enum은 간단한 싱글톤 구현에 적합하지만, 복잡한 초기화 로직이 필요한 경우 설계가 복잡해질 수 있다.

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📢 REF

이팩티브 자바 3/E